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新突破!光子与成对原子首次实现相互作用,有望推进量子技术的发展

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的物理学家们,近日首次发现了一种让光子与原子对相互作用的方法。这一突破,对于引领量子技术发展的腔量子电动力学(QED)领域具有重要意义。

此前,光子与原子相互作用在一定程度上已经实现,并应用于量子网络和量子信息处理。而让科学家们头疼的是——目前,光与物质的相互作用仅限于单个原子,这限制了我们在涉及量子技术的复杂系统中研究它们的能力。

在《自然》(Nature)杂志上发表的一篇论文中,EPFL基础科学学院的Jean-Philippe Brantut小组的研究人员发现了一种方法,可以让光子在超低温下与原子对“混合”。

据悉,研究人员使用了所谓的费米气体(Fermi gas),这是一种由原子组成的物质状态,类似于材料中的电子。研究人员解释称:“在没有光子的情况下,气体可以在一种原子之间相互作用非常强烈的状态下制备,形成松散束缚的对。”“当光被发送到气体中,其中一些对可以通过光子吸收变成化学结合的分子。”

这种新效应的一个关键概念是,它是在“相干”(coherently)的情况下发生的,这意味着光子可以被吸收,将一对原子变成一个分子,然后发射回来,然后多次被重新吸收。

“这意味着对光子系统形成了一种新型的‘粒子’——技术上是一种激发——我们称之为‘对极化子’(pair-polariton)。”Brantut说。“这在我们的系统中成为可能,光子被限制在一个‘光学腔’(optical cavity)——一个封闭的盒子,迫使它们与原子强烈相互作用。”

混合极化对具有光子的一些特性,这意味着它们可以用光学方法测量。它们还具有费米气体的一些特性,比如在光子进入之前,费米气体的原子对数量。

“气体的一些非常复杂的性质转化为光学性质,可以直接测量,甚至不扰动系统,”Brantut说。“未来的应用将在量子化学中,因为我们证明了一些化学反应可以用单个光子相干产生。”

报道原文:https://actu.epfl.ch/news/light-matter-interactions-propel-quantum-technolog/

论文来源:Hideki Konishi, Kevin Roux, Victor Helson, Jean-Philippe Brantut. Universal pair-polaritons in a strongly interacting Fermi gas. Nature 25 August 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03731-9


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